Open Access 
Abstract
In 500 kV power systems, shunt reactors are usually used to control the reactive power balance and regulate the operating voltage within the permissible limits. Therefore, shunt reactors may be frequently switched daily. Using circuit breakers to switch shunt reactors will produce transient components during this period. When a shunt reactor is switched on, the inrush current will appear and when the shunt reactor is switched off, the transient recovery voltage (TRV) will occur between two terminal contacts in the circuit breaker. This paper will focus on analyzing TRV components that occur when opening the circuit breaker to interrupt inductive loads with small currents, namely the analysis of TRV that occurs when opening the circuit breaker of the shunt reactor 500 kV - 128 MVar at 500 kV O Mon substation by using ATP/EMTP transient analysis software. The simulation has indicated that the obtained results are suitable to the practical case and they are can be used a basis for a suggestion of solutions to reduce the TRV for other 500 kV substations with shunt reactors in Vietnam. This study also has significant technical and economic contributions. In the economy, the application of this model for shunt reactor circuit breakers will provide an evaluation of their TRV standing level in the practical operation, leading to reducing the maintenance and replacement costs of circuit breakers. In the technique, this solution will help to solve the problems of selecting appropriate circuit breakers, the best operation procedure, and effective reduction of TRV.
GIỚI THIỆU
Cuộn kháng bù ngang được sử dụng để bù cho các tác động của điện dung sinh ra trên đường dây, đặc biệt là để hạn chế sự tăng điện áp phía cuối đường dây khi cắt đột ngột hoặc khi vận hành non tải. Việc đóng cắt kháng bù ngang thường xuyên phụ thuộc vào sự thay đổi của phụ tải hệ thống. Cuộn kháng bù ngang thường được đưa vào vận hành ở mức tải thấp hoặc không tải và đưa ra dự phòng lúc phụ tải cao. Do đó việc đóng cắt kháng trong chế độ vận hành bình thường được thực hiện nhiều lần trong ngày 1 . Do các đặc tính kỹ thuật và mục đích đặc biệt của kháng bù ngang, dòng điện đi qua kháng chủ yếu là dòng cảm ứng và có giá trị nhỏ. Dòng điện này nhỏ hơn đáng kể (10 hoặc 20 lần) so với dòng điện định mức của các máy cắt khí SF6 được sử dụng phổ biến nhất hiện nay, và thậm chí nhỏ hơn đến 200 lần so với dòng ngắn mạch của máy cắt 1 .
Các hoạt động đóng cắt của máy cắt kháng bù ngang 128 MVar tại trạm biến áp 500 kV Ô Môn thuộc hệ thống lưới điện truyền tải 500 kV Việt Nam thường xuyên xảy ra khi thay đổi phụ tải. Nguyên tắc đóng cắt cuộn kháng bù ngang trong chế độ vận hành bình thường như sau: với phụ tải thấp thì đóng cuộn kháng, còn khi tải tăng lên thì cắt cuộn kháng. Các hoạt động đóng cắt của cuộn kháng bù ngang dẫn đến quá độ điện từ và một số hiệu ứng cơ học khác. Tại thời điểm đóng cuộn kháng, dòng điện khởi động có thể xuất hiện với biên độ lớn (hay còn gọi là dòng điện xung kích) và hằng số thời gian dài. Tại thời điểm cắt cuộn kháng, sự gián đoạn đột ngột của dòng điện cảm ứng nhỏ sẽ gây ra hiện tượng quá điện áp. Sự phản ứng của hệ thống đối với dòng cắt là nguyên nhân sinh ra điện áp quá độ phục hồi (Transient recovery voltage - TRV) 2 . Các ảnh hưởng này về lâu dài sẽ gây nguy hại đến tiếp điểm chính của máy cắt cuộn kháng nếu nó vượt quá điện áp chịu đựng xung đóng cắt của máy cắt. Gần đây trên lưới điện đã xảy ra một số vụ trở ngại bất thường của máy cắt cuộn kháng bù ngang 500 kV như tại các trạm biến áp 500 kV Sông Mây và Ô Môn mà điện áp quá độ phục hồi TRV là một trong những nguyên nhân chính gây ra các sự cố nêu trên 3 .
Bài báo này sẽ trình bày việc nghiên cứu các ảnh hưởng quá điện áp khi đóng cắt máy cắt cuộn kháng bù ngang sử dụng phần mềm ATP/EMTP và đặc biệt là nghiên cứu giá trị TRV trong thực tế vận hành nhằm lựa chọn thiết bị và phương thức vận hành phù hợp làm giảm đáng kể các sự cố tương tự xảy ra, đồng thời đưa ra các giải pháp chọn lựa tối ưu làm giảm đáng kể giá trị TRV để làm tăng tuổi thọ máy cắt.
PHÂN TÍCH CÁC ẢNH HƯỞNG KHI ĐÓNG CẮT KHÁNG BÙ NGANG
Trong phần này sẽ trình bày sơ lược các ảnh hưởng quá độ trong trường hợp đóng cuộn kháng. Trong trường hợp cắt cuộn kháng, sẽ tập trung phân tích chi tiết các ảnh hưởng xảy ra khi cắt cuộn kháng để làm rõ tác hại của điện áp quá độ phục hồi TRV. Bài báo chỉ tập trung phân tích các ảnh hưởng khi đóng cắt kháng bù ngang trên lưới điện 500 kV trong chế độ vận hành bình thường.
Việc đóng cắt điện áp cao thường gây ra các nhiễu loạn như ảnh hưởng về điện thế, các họa tần và dòng khởi động. Table 1 trình bày các ảnh hưởng khi đóng cắt các loại phụ tải trên lưới điện cao áp.
| Loại tải | Loại đóng cắt | Hiện tượng quá độ |
| Tải điện cảm: Máy biến áp, kháng bù ngang | Cắt | Đánh lửa lặp lại, quá áp |
| Đóng | Dòng xung kích | |
| Tải điện dung: Các tụ điện | Cắt | Đánh lửa lặp lại, quá áp |
| Đóng | Quá áp, quá dòng tức thời |
Figure 1 ghi nhận một số hình ảnh về sự ảnh hưởng của điện áp quá độ phục hồi TRV tác động lên máy cắt kháng, gây phóng điện bên trong tiếp điểm động của máy cắt kháng K502 pha B tại ngăn lộ kháng bù ngang KH502 trạm 500kV Ô Môn.
Cuộn kháng bù ngang lắp đặt phía cuối đường dây nhằm mục đích giảm điện áp trong các trường hợp non tải hoặc không tải, bằng cách tiêu thụ công suất phản kháng do tụ ký sinh của đường dây sinh ra nhằm giữ điện áp thanh cái xung quanh giá trị mong muốn. Tuy nhiên việc vận hành cuộn kháng bù ngang cũng có một số ảnh hưởng đến hệ thống điện. Chẳng hạn, khi vận hành đóng cắt cuộn kháng bù ngang sẽ tồn tại hai loại hiện tượng quá độ như sau:
Khi đóng máy cắt cuộn kháng: có thể xuất hiện dòng điện xung kích khá lớn phát sinh từ các đặc tính từ tính của lõi cuộn kháng.
Khi cắt máy cắt cuộn kháng: có thể xuất hiện quá điện áp quá độ lớn do các đặc tính của máy cắt.
Hiện tượng quá độ khi cắt máy cắt cuộn kháng bù ngang là hiện tượng được nghiên cứu trọng tâm của bài báo này.
Figure 1 . Ảnh hưởng của TRV gây phóng điện bên trong tiếp điểm phụ của máy cắt.
PHÂN TÍCH ĐIỆN ÁP QUÁ ĐỘ PHỤC HỒI TRV VÀ HIỆN TƯỢNG QUÁ ĐIỆN ÁP PHÓNG ĐIỆN LẶP LẠI
Điện áp quá độ phục hồi - TRV
Điện áp phục hồi (Recovery Voltage - RV) trong máy cắt là điện áp xuất hiện giữa hai đầu cực của máy cắt xảy ra khi mở máy cắt như trong Figure 2 .
Khi mở máy cắt kháng bù ngang, tại thời điểm dòng điện dao động, một lượng năng lượng được nạp bởi thành phần điện cảm và điện dung của cuộn kháng bù ngang trước thời điểm cắt kháng, năng lượng này sẽ dao động giữa điện cảm và điện dung ký sinh của kháng bù ngang và tạo ra quá áp tạm thời hay còn gọi là điện áp quá độ phục hồi (Transient Recovry Voltage - TRV) 2 .
Figure 3 . Kết quả mô phỏng điện áp quá độ phục hồi TRV xảy ra khi cắt kháng bù ngang 500 kV – 128 Mvar tại trạm biến áp 500 kV Ô Môn trong trường hợp đường dây non tải.
Điện áp quá độ phục hồi này xuất hiện với biên độ và tần số dao động rất lớn và thường thì pha cắt đầu tiên bị ảnh hưởng bởi điện áp TRV nặng nề nhất. Figure 3 mô tả điện áp TRV xuất hiện tại pha cắt đầu tiên (pha A) của máy cắt kháng bù ngang 500 kV - 128 MVar tại trạm biến áp 500 kV Ô Môn, tại đó điện áp TRV tăng lên khoảng 2.5 pu tương ứng với điện áp định mức của máy cắt là 550 kV thì điện áp TRV là 1386 kV.
Hiện tượng quá điện áp phóng điện lặp lại
Đỉnh của TRV bằng với đỉnh của quá điện áp do dòng điện ngắt mạch cộng với đỉnh của điện áp phía nguồn. Nếu máy cắt đã có đủ cường độ điện môi, nó không đánh lửa lặp lại tại thời điểm này và hồ quang được dập tắt thành công. Nhưng nếu tại thời điểm tiếp điểm cắt vừa mở thì khoảng hở tiếp điểm cắt chưa đủ độ bền điện môi để chịu được điện áp xuất hiện trên các tiếp điểm cắt, thì sẽ xảy ra sự đánh lửa lại 2 . Khi xảy ra sự đánh lửa lại, điện áp phía tải nhanh chóng có xu hướng quay về điện áp phía nguồn và tạo ra sự quá mức, hay nói cách khác là quá điện áp phóng điện lặp lại. Điện áp như vậy (tại thời điểm phóng điện lặp lại) sẽ tạo ra điện áp quá độ đặt lên cuộn kháng. Thời gian trước của sóng thay đổi từ ít hơn một micro giây đến vài micro giây và có thể phân bố không đều trên cuộn dây của kháng.
Figure 4 trình bày một số hình ảnh minh họa cho quá trình phóng điện lặp lại diễn ra bên trong máy cắt 4 .
Figure 4 a : dạng sóng TRV diễn ra tại thời điểm cắt máy cắt kháng bù ngang.
Figure 4 b: dạng sóng của dao động quá áp và phóng điện lặp lại.
Figure 4 c: dạng sóng của dao động quá áp.
Figure 4 d: TRV vượt quá cường độ điện môi của máy cắt, phóng điện lặp lại diễn ra.
PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM ATP/EMTP
Mô hình mô phỏng được xây dựng dựa trên sơ đồ lưới điện truyền tải Việt Nam năm 2015 5 . Mục đích lựa chọn xây dựng mô hình mô phỏng theo giai đoạn này nhằm khảo sát lại đúng hiện trạng xảy ra trở ngại bất thường của máy cắt kháng bù ngang 500 kV – 128 Mvar tại trạm biến áp 500 kV Ô Môn 3 .
Các kết quả mô phỏng bằng phần mềm ATP về việc phân tích ảnh hưởng quá độ xảy ra khi đóng cắt cuộn kháng bù ngang được thực hiện ở chế độ vận hành bình thường. Bài báo này chỉ tập trung phân tích đóng cắt máy cắt kháng bù ngang KH502 - 128 MVar đặt tại trạm biến áp 500 kV Ô Môn thuộc ngăn lộ đường dây 500 kV Nhà Bè - Ô Môn có chiều dài 152,83 km. Trong mô hình mô phỏng này nguồn được cấp từ trạm Nhà Bè về trạm Ô Môn, đây là trào lưu công suất trong chế độ vận hành bình thường trên đường dây 500 kV Nhà Bè - Ô Môn. Điện áp đầu nguồn là điện áp tại trạm Nhà Bè, điện áp cuối nguồn là điện áp tại trạm Ô Môn.
Đường dây trong mô hình mô phỏng có chiều dài thực tế là 152,83 km, thuộc loại đường dây có chiều dài trung bình và mô hình mạch π tương đương được sử dụng trong mô phỏng cho loại đường dây này. Đường dây thực tế trong Figure 5 được mô hình hóa bằng ATP như trong Figure 6 .
Figure 6 . Sơ đồ mô phỏng đóng cắt kháng bù ngang đường dây 500 kV Nhà Bè – Ô Môn bằng phần mềm ATP.
Phụ tải trong mô hình mô phỏng đại diện cho các phụ tải của khu vực Miền Tây Nam Bộ được cung cấp từ lưới điện 500 kV Bắc - Nam cho phân bố phụ tải thông qua 02 máy biến áp đặt tại trạm biến áp 500 kV Ô Môn. Do quá áp phía cuối đường dây chỉ xảy ra ở trường hợp non tải hoặc không tải nên trong mô phỏng các thông số phụ tải của 03 pha phải cài đặt cho phù hợp.
Các khối chức năng trong Figure 6 bao gồm:
SOURCE: Khối nguồn.
LCC: Mô hình đường dây trung bình.
CB_1, CB_2, CB_3: Máy cắt 03 pha rời.
Shunt_React: Kháng bù ngang.
Neutra_react: Kháng trung tính.
Neutral_Res: Điện trở trung tính.
LOAD: Tải.
VS, VR, I : Đầu dò để đo điện áp, dòng điện.
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CẮT MÁY CẮT KHÁNG BÙ NGANG
Trường hợp đường dây không tải
Trường hợp đường dây không tải
Trường hợp đường dây không tải
Trường hợp đường dây non tải
THẢO LUẬN VÀ CÁC GIẢI PHÁP HẠN CHẾ TRV
Các tiêu chuẩn quy định giá trị TRV cho máy cắt kháng bù ngang
Các tiêu chuẩn quy định giá trị TRV cho máy cắt kháng bù ngang
Các tiêu chuẩn quy định giá trị TRV cho máy cắt kháng bù ngang
Các tiêu chuẩn quy định giá trị TRV cho máy cắt kháng bù ngang
Các tiêu chuẩn quy định giá trị TRV cho máy cắt kháng bù ngang
Các giải pháp hạn chế TRV
Các giải pháp hạn chế TRV
Các giải pháp hạn chế TRV
Những đóng góp của nghiên cứu vào hệ thống điện Miền Nam - Việt Nam
Những đóng góp của nghiên cứu vào hệ thống điện Miền Nam - Việt Nam
Những đóng góp của nghiên cứu vào hệ thống điện Miền Nam - Việt Nam
KẾT LUẬN
Bài báo đã phân tích các ảnh hưởng của điện áp quá độ phục hồi TRV xảy ra khi cắt máy cắt cuộn kháng bù ngang 500 kV – 128 MVar dựa vào việc xây dựng mô hình mô phỏng theo sơ đồ vận hành thực tế bằng phần mềm phân tích quá độ ATP/EMTP. Qua đó đánh giá được khả năng chịu đựng TRV của máy cắt và đề ra các giải pháp tốt nhất nhằm hạn chế ảnh hưởng của TRV lên máy cắt. Kết quả tính toán và mô phỏng cho thấy hiệu quả mang lại của các giải pháp làm giảm đáng kể giá trị TRV về giá trị cho phép chịu đựng của máy cắt và phù hợp với các tiêu chuẩn về kiểm tra khả năng chịu đựng TRV dành cho máy cắt cuộn kháng bù ngang đang được áp dụng trên thế giới. Do đó, kết quả đạt được của nghiên cứu này có thể sẽ làm nền tảng cho việc phát triển các giải pháp hạn chế TRV cho các trạm biến áp có cuộn kháng bù ng ang ở Việt Nam.
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ATP : Alternative Transient Program ( Chương trình quá độ thay thế)
CB : Circuit breaker (Máy cắt điện)
EMTP : Electromagnetic Transients Program (Chương trình quá độ điện từ)
IEC : International Electrotechnical Commission (Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế)
TRV : Transient recovery voltage (Điện áp quá độ phục hồi)
RV : Recovery voltage (Điện áp phục hồi)
DCL : Dao cách ly
KH502 : Cuộn kháng mã số 502
XUNG ĐỘT LỢI ÍCH
Nhóm tác giả xin cam đoan rằng không có bất kỳ xung đột lợi ích nào trong công bố bài báo.
ĐÓNG GÓP CỦA TÁC GIẢ
Trần Tấn Phát tham gia vào việc đưa ra ý tưởng, thu thập dữ liệu, tính toán, viết bài bản thảo. Võ Ngọc Điều đã đóng góp định hướng nghiên cứu và chỉnh sửa bài viết.
References
- Uglešić Ivo, Hutter Sandra, Krepela Miroslav, Grčić Božidar Filipović-, Jakl Franc. Transients Due to Switching of 400 kV Shunt Reactor. . ;:. Google Scholar
- IEEE Guide For The Application of Shunt Reactor Switching. Std C37.015-2017 (Revision of IEEE Std C37.015-2009). ;:. Google Scholar
- Grid Solution SAS, GE and Alstom joint venture.Damages on main contact of Circuit breaker switching shunt reactor. . ;:. Google Scholar
- Wong S M, Snider L A, Lo E W C. Overvoltages and reignition behavior of vacuum circuit breaker. International Conference on Power Systems Transients. ;:. Google Scholar
- Tập đoàn điện lực Việt Nam, Tổng công ty truyền tải điện quốc gia.Sơ đồ lưới điện truyền tải Việt Nam năm 2015. . ;:. Google Scholar
- IEC 62271-110, High voltage switchgear and controlgear – Part 110: Inductive load switching. . ;:. Google Scholar
- IEC 62271-100, High voltage switchgear and controlgear – Part 100: Alternating current circuitbreakers. . ;:. Google Scholar
- Data sheets for circuit breaker, type GL 317D, Areva.. . ;:. Google Scholar
